El-Mahdya, Osama O.;Hamdy, Gehan A.;Hisham, Mohammed
Structural Engineering and Mechanics
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v.77
no.5
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pp.673-689
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2021
This paper addresses the efficiency of thermal insulation layers applied to protect structural elements strengthened by fiber-reinforced polymers (FRP) in the case of fire event. The paper presents numerical modeling and nonlinear analysis of reinforced concrete (RC) columns externally strengthened by FRP and protected by thermal insulation layers when subjected to elevated temperature specified by standard fire tests, in order to predict their residual capacity and fire endurance. The adopted numerical approach uses commercial software includes heat transfer, variation of thermal and mechanical properties of concrete, steel reinforcement, FRP and insulation material with elevated temperature. The numerical results show good agreement with published results of full-scale fire tests. A parametric study was conducted to investigate the influence of several variables on the structural response and residual capacity of insulated FRP-confined columns loaded by service loads when exposed to fire. The residual capacity of FRP-confined RC column was affected by concrete grade and insulation material and was shown to improve substantially by increasing the concrete cover and insulation layer thickness. By increasing the VG insulation layer thickness 15, 32, 44, 57 mm, the loss in column capacity after 5 hours of fire was 30%, 13%, 7% and 5%, respectively. The obtained results demonstrate the validity of the presented approach for estimation of fire endurance and residual strength, as an alternative for fire testing, and for design of fire protection layers for FRP-confined RC columns.
Expanding urbanization practices result in high numbers of buildings being developed in city centers. This high building concentration leads to an increased fire risk, resulting in higher casualty rates and increased economic damages compared to fires in the past. The purpose of this study was to analyze the structural behavior of fire-damaged reinforced concrete buildings using analytical methods and to suggest methods of improving fire resistance in the event of a fire. Damage levels were measured using commercial software to apply the finite element method, ABAQUS, and MIDAS GEN to the dataset. Load-deflection curves were calculated using the effective area and moment of inertia of the fire-damaged columns provided by ABAQUS. The results of this analysis indicate that fire-damaged beams with experience greater deflection from indoor fires than they will from outdoor fires. Fires that occurred on the middle floors were more dangerous than those occurring on higher floors, and eccentrically loaded columns experienced more damage than axially loaded columns. The results indicate that these methods accurately predict structural behaviors of fire damaged concrete columns by considering fire exposure area and eccentric loading.
This study reports the results of a series of tests of pultruded glass fiber reinforced polymer (P-GFRP) box section composite profile columns, geometrically similar with/without concrete core, containing 0-1-2-3% steel fiber, with different lengths. The recycled steel wires were obtained from waste tyres. The effects of steel fiber ratio on the collapse and size effect of concrete filled P-GFRP columns under axial pressure were investigated experimentally and analytically. A total of 36 columns were tested under compression. The presence of pultruded profile and steel wire ratio were selected as the primary variable. The capacity of pultruded profiles with infilled concrete are averagely 9.3 times higher than the capacity of concrete without pultruded profile. The capacity of pultruded profiles with infilled concrete are averagely 34% higher than that of the pultruded profiles without infilled concrete. The effects of steel wire ratio are more pronounced in slender columns which exhibit buckling behavior. Moreover, the proposed analytical approach to calculate the capacity of P-GFRP columns successfully predicted the experimental findings in terms of both pure axial and buckling capacity.
To realize the recycling utilization of waste concrete and alleviate the shortage of resources, 11 specimens of steel reinforced recycled concrete (SRRC) filled circular steel tube columns were designed and manufactured in this study, and the cyclic loading tests on the specimens of columns were also carried out respectively. The hysteretic curves, skeleton curves and performance indicators of columns were obtained and analysed in detail. Besides, the finite element model of columns was established through OpenSees software, which considered the adverse effect of recycled coarse aggregate (RA) replacement rates and the constraint effect of circular steel tube on internal RAC. The numerical calculation curves of columns are in good agreement with the experimental curves, which shows that the numerical model is relatively reasonable. On this basis, a series of nonlinear parameters analysis on the hysteretic behaviors of columns were also investigated. The results are as follows: When the replacement rates of RA increases from 0 to 100%, the peak loads of columns decreases by 7.78% and the ductility decreases slightly. With the increase of axial compression ratio, the bearing capacity of columns increases first and then decreases, but the ductility of columns decreases rapidly. Increasing the wall thickness of circular steel tube is very profitable to improve the bearing capacity and ductility of columns. When the section steel ratio increases from 5.54% to 9.99%, although the bearing capacity of columns is improved, it has no obvious contribution to improve the ductility of columns. With the decrease of shear span ratio, the bearing capacity of columns increases obviously, but the ductility decreases, and the failure mode of columns develops into brittle shear failure. Therefore, in the engineering design of columns, the situation of small shear span ratio (i.e., short columns) should be avoided as far as possible. Based on this, the calculation model on the skeleton curves of columns was established by the theoretical analysis and fitting method, so as to determine the main characteristic points in the model. The effectiveness of skeleton curve model is verified by comparing with the test skeleton curves.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.10a
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pp.127-134
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1999
An optimization algorithm based on Genetic Algorithm(GA) is developed for discrete optimization of reinforced concrete plane frame by constructing databases. Under multiple loading conditions, discrete optimum sets of reinforcements for both negative and positive moments in beams, their dimensions, column reinforcement, and their column dimensions are found. Construction practice is also implemented by linking columns and beams by group ‘Connectivity’between columns located in the same column line is also considered. It is shown that the developed genetic algorithm was able to reach optimum design for reinforced concrete plane frame construction practice.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1996.10a
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pp.480-485
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1996
A numerical method for perdicting the behavior of a reinforced concrete column under biaxial loading is proposed, using the layered finite element method. Concrete is assumed to exhibit strain softening and steel reinforcement is elastic-plastic. The bending theory assumptions are used and bond slip of reinforcement is meglected. To perdict the entire load-deformation characteristics, displacement control method is used. This method consider not only combined effect due to axial load and bending moment but also that due to bending moments. Predicted behaviors of reinforced concrete columns under biaxial loading through the numerical method proposed in this study show good agreements with test results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.5
s.51
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pp.85-97
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2006
Capacity design is to guarantee ductile failure of whole bridge system by preventing brittle failure of columns and any other structural elements until the columns develope fully enough plastic deformation capacity. This concept has been explicitly regulated in most bridge design specifications of foreign countries except the current Korea Bridge Design Specifications. In the capacity design, the transformed shear force from flexural overstrength of reinforced concrete column is used as the design lateral shear force for shear design of columns and design of footings and piles. Different calculating methods are adopted by the design specifications, since the variability of material strength and construction circumstances of the local regions should be considered. This paper proposed material overstrength factors by investigating 3,407 reinforcing bar data and 5,405 concrete compressive strength data collected in Korean construction sites. It also proposed calculating procedures for flexural overstrength of reinforced concrete columns using the material overstrength. Finally, overstrength factor was proposed as 1.5 by investigating 1,500 column section data from moment-curvature analysis using the material overstrength.
This paper is a part of a research program to develop a new design method for reinforced concrete bridge columns under seismic loading. The objectives of this paper are to investigate the relationship between ductility and confinement steel amount and to propose a design equation for reinforced concrete bridge columns. Computer program NARCC was used for parametric study, which was proved to provide good and conservative analytical result especially for deformation capacity and ductility factor compared with test result. A total of 7,200 reinforced concrete columns confined with spirals or perfect circular hoops were selected by combination of variables such as section diameter, aspect ratio, concrete compressive strength, yielding strength of longitudinal and confinement steel, longitudinal steel ratio, axial load ratio, and confinement steel ratio. Based on the parametric study a new design equation for confinement steel amount considering ductility demand was proposed, which can be used in the new seismic design method, i.e. ductility-based seismic design, for RC bridge columns.
No significant improvement has been observed on the seismic performance of the ordinary steel reinforced concrete (SRC) columns compared with the reinforced concrete (RC) columns mainly because I, H or core cross-shaped steel cannot provide sufficient confinement for core concrete. Two improved SRC columns by constructing with new-type section steel were put forward on this background: a cross-shaped steel whose flanges are in contact with concrete cover by extending the geometry of webs, and a rotated cross-shaped steel whose webs coincide with diagonal line of the column's section. The advantages of new-type SRC columns have been proved theoretically and experimentally, while construction measures and seismic behavior remain unclear when the new-type columns are joined onto SRC beams. Seismic behavior of SRC joints with new-type section steel were experimentally investigated by testing 5 specimens subjected to low reversed cyclic loading, mainly including the failure patterns, hysteretic loops, skeleton curves, energy dissipation capacity, strength and stiffness degradation and ductility. Effects of steel shape, load angel and construction measures on seismic behavior of joints were also analyzed. The test results indicate that the new-type joints display shear failure pattern under seismic loading, and steel and concrete of core region could bear larger load and tend to be stable although the specimens are close to failure. The hysteretic curves of new-type joints are plumper whose equivalent viscous damping coefficients and ductility factors are over 0.38 and 3.2 respectively, and this illustrates the energy dissipation capacity and deformation ability of new-type SRC joints are better than that of ordinary ones with shear failure. Bearing capacity and ductility of new-type joints are superior when the diagonal cross-shaped steel is contained and beams are orthogonal to columns, and the two construction measures proposed have little effect on the seismic behavior of joints.
This paper presents the results of axial pressure testing on reinforced concrete columns (RCCs) filled with confined normal concrete (NC) and high-strength concrete (HSC) using glass-fiber reinforced plastic pipes (GRP) casing as well as fiber reinforced polymer (FRP). This study aims to evaluate the behavior and mechanical properties of columns confined with GRP casing and FRP wrapping under pressure loads. The major parameters in the experiments were the type of concrete, the effect of GRP casing and FRP wrapping, as well as the number of FRP layers. 12 cylindrical RCCs (150*600) mm were prepared and divided into two groups, NC and HSC, and each group was divided into two parts. In each part, one column was without FRP strengthening layer, a column was wrapped with one FRP layer and another column with two FRP layers. All columns were tested under concentrated compression load. The results of the study showed that the utilization of FRP wrapping and GRP casing improved compression capacity and ductility of RCCs. The addition of one and two layers-FRP wrapping increased compression capacity in the NC group to an average of 18.5% and 26.5% and to an average of 10.2% and 24.8% in the HSC group. Meanwhile, the utilization of GRP casing increased the compression capacity of the columns by 4 times in the NC group and 3.38 times in the HSC group. The results indicated that although both FRP wrapping and GRP casing result in confinement, the GRP casing resulted in increased compression capacity and ductility of the RCCs due to higher confinement. Furthermore, the confinement effect was higher on columns made with NC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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